JP2022008693A - アクティブ型連続式直流給電絶縁故障検出回路 - Google Patents

Abstract

【課題】アクティブ型連続式直流給電絶縁故障検出回路の提供。【解決手段】このアクティブ型連続式直流給電絶縁故障検出回路は、リーク電流検知ユニット、給電システムのプラス電圧端に設けられるプラス電圧端補償ユニット、及び、給電システムのマイナス電圧端に設けられるマイナス電圧端補償ユニットを包含し、該プラス、マイナス電圧端補償ユニットは、単方向放電器及び電源ユニットが包含し、それは相互に順方向に導通するように設けられる。本発明は既存のパッシブ素子の、対地絶縁劣化の検出の欠点を改良し、電源ユニットに単方向放電器を介して放電させ、リーク電流検知ユニットに連続して不間断にプラス電圧端及びマイナス電圧端を流れる電流値の変化を検出させるようにし、主動的で且つ連続した対地絶縁劣化の検出と、容易なリーク電流数値の検出機能を達成する。【選択図】図３

Description

本発明は一種のアクティブ型連続式直流給電絶縁故障検出回路に関する。

直流給電システムは、通常、バッテリーセット、充電器とパワーデジタルコンバーターで構成され、高品質の直流電源を重要な負荷に提供する。直流給電システムの品質を向上するため、直流給電システムは一般に、非接地システムを採用し、すなわちプラスとマイナスのバスが対地でいずれも良好に絶縁され、システムに単点の対地故障が発生する時も、直流システムの動作に影響が及ばないようにしている。しかし、２点或いは２点以上の接地故障が出現すると、プラスマイナス電圧の母線短絡を形成して、全体の直流システムの故障をもたらし得る。

図１を参照されたい。それは、伝統的な直流システムの支線接地故障検出回路を示す。仮に、給電システム１のそのうち一つの回路にプラス電圧端の接地故障が発生したとすると、絶縁抵抗Ｒ_Nは、接地抵抗Ｒと、回路を形成し得て、接地リーク電流を発生し、並びに接地リーク電流がリーク電流検知器Ｔを通過することで、順調に第Ｎ個の回路に接地故障が発生したと判断される。しかし、リーク電流を容易に検出できるとはいえ、プラス、マイナス電圧端上にそれぞれ接地抵抗Ｒを挿入しなければならないため、もともとの絶縁特性が犠牲となる。

もし、これらの接地抵抗Ｒをそれぞれスイッチ（図示せず）に直列接続したらば、非接地型の給電方式となすことができ、良好な絶縁特性を保有することができる。しかしまた、直列接続されたスイッチ自身がまた、別の故障点となり得て、且つ、スイッチを設置した後に、システムの接地故障検出はまた、非連続式の検出方式となってしまい、ゆえに、理想的でない。

非接地型給電システムに、接地故障が発生する時に、警告ができず、及び、またどの給電回路に接地故障が発生したのかを判断できないという欠点を克服するため、周知の、改良後の検出回路がある。

たとえば、図２に示されるように、該検出回路は、給電システム１のプラス、マイナス電圧端にそれぞれ設けられた、複数の停電装置２、給電システム１の末端に設けられたリーク電流検知器３、給電システム１のプラス電圧端に設けられたプラス電圧過渡特性補償器４、及び給電システム１のマイナス電圧端に設けられたマイナス電圧過渡特性補償器５を包含する。

そのうち、該プラス電圧過渡特性補償器４、該マイナス電圧過渡特性補償器５内には、それぞれ、充電回路４１、５１、エネルギー保存回路４２、５２、及び放電回路４３、５３が設けられ、該充電回路４１、５１は、抵抗４１１、５１１及び単方向充電器４１２、５１２が直列接続されてなり、該充電回路４１、５１の一端に、給電システム１のプラス、マイナス電圧端が接続され、他端に、エネルギー保存回路４２、５２が接続され、該エネルギー保存回路４２、５２の他端は接地する。エネルギー保存回路４２、５２は、抵抗４２１、５２１及びエネルギー保存器４２２、５２２が並列接続されてなる。該放電回路４３、５３は充電回路４１、５１に並列接続され、それは、単方向放電器４３１、５３１及び抵抗４３２、５３２が直列接続されてなる。

該リーク電流検知器３は、プラス電圧過渡特性補償器４（或いはマイナス電圧過渡特性補償器５、それは類似の回路構造であるため、以後説明しない）中のエネルギー保存回路４２のエネルギー保存器４２２上の保存エネルギーが、抵抗４３２を介して絶縁抵抗Ｒ_fに直列接続されて放電されて発生する接地リーク電流を検出する。該リーク電流検知器３は電流値の明らかな増加を検知すると、警告を発生するか或いは停電装置２を制御して給電システム１の負荷に対する給電を停止し、接地故障検出の目的を達成する。

エネルギー保存回路４２、５２のエネルギー保存器４２２、５２２はコンデンサとされ、絶縁抵抗Ｒ_fが良好である状況では、コンデンサは正常にエネルギーを保存する。しかし、線路の絶縁抵抗Ｒ_fが故障して抵抗値が激烈に下降する時、コンデンサの保存エネルギーは、それに伴い絶縁抵抗を介して接地端に対して放電し、その接地リーク電流の最大値は、エネルギー保存開始の過渡状態電圧値から抵抗４３２に絶縁抵抗Ｒ_fを直列接続した抵抗値を除したものである。

ただし、実際の状況では、絶縁抵抗Ｒ_fの抵抗値は、通常、完全には急激に下降せず、それはまた漸次劣化減衰し得て、コンデンサはパッシブ電子素子であり、ゆえに、コンデンサは絶縁抵抗Ｒ_fの変化の過程中に、ゆっくりと絶縁抵抗Ｒ_fに対して放電し、ゆえに、コンデンサ上の保存エネルギー電圧もまた、それに伴いゆっくりと下降し、必然的に、リーク電流検知器３の精度が有限である状況で、接地リーク電流値の変化を感知できず、そのため順調に検出できないという欠点をもたらす。これにより、周知の絶縁故障検出回路の欠点は、それが絶縁抵抗の漸次劣化減衰の故障モードを検出できないことにある。

本発明は一種の絶縁故障検出回路であり、アクティブ式の電源ユニットを駆動電源とし、リーク電流検知器に、順調に且つ連続的に、絶縁抵抗の緩慢な劣化減衰過程の故障状態を検出させられるものとする。

本発明は一種のアクティブ型連続式直流給電絶縁故障検出回路であって、それは、
少なくとも一つのリーク電流検知ユニットであって、給電システムの回路に設けられて、該回路のリーク電流値を測定するのに用いられる、上記少なくとも一つのリーク電流検知ユニットと、
少なくとも一つのプラス電圧端補償ユニットであって、一端が給電システムのプラス電圧端に接続され、他端は接地端に接続され、該プラス電圧端補償ユニットは、相互に直列に接続された単方向放電器、抵抗及び電源ユニットを包含し、該単方向放電器と該電源ユニットは順方向に導通する、上記少なくとも一つのプラス電圧端補償ユニットと、
少なくとも一つのマイナス電圧端補償ユニットであって、一端が給電システムのマイナス電圧端に接続され、他端は該接地端に接続され、該マイナス電圧端補償ユニットは相互に直列に接続された、単方向放電器、抵抗及び電源ユニットを包含し、該マイナス電圧端補償ユニットの該単方向放電器と該マイナス電圧端補償ユニットの該電源ユニットは順方向に導通する、上記少なくとも一つのマイナス電圧端補償ユニットと、
を包含する。

本発明は既存の非接地型直流給電システムが、コンデンサのようなパッシブ素子で対地絶縁劣化の検出を行うために盲点を有し、それは該プラス電圧端補償ユニットに電源ユニットを提供し、該リーク電流検知ユニットの出力用電側のプラス電圧端に対地絶縁劣化が発生する時、該電源ユニットが該単方向放電器を介して放電し、リーク電流が大地地網を介して該プラス電圧端補償ユニットと接地を形成し、並びにリーク電流回流の通路を形成する。

こうして、絶縁抵抗に僅かな変化がある時に、適時に知ることができ、該リーク電流検知ユニットがプラス電圧端及びマイナス電圧端を通過する電流値の差異変化を検出し、並びにアラームメッセージを発生するか、或いは停電装置を制御して該回路に対する電力供給を停止し、高感度且つ連続監視の目的を達成し、直流システム給電動作中に、各回路の線上リアルタイムリーク電流警告の機能を提供する。

並びに、電源ユニットに直列接続される抵抗は確定した抵抗であり、これにより、余分に電流感知器を取り付けなくとも、抵抗端の電圧より、給電回路の総接地リーク電流値を知ることができ、この重要な情報は、操作員の参考に供される。

同様に、もし該リーク電流検知器の出力用電側マイナス電圧端線路が対地絶縁劣化が発生した時は、リーク電流は、回流してマイナス電圧端補償ユニットの接地に至り、同じ監視の目的を達成できる。

周知の伝統的な検出回路の回路表示図である。 周知の改良された検出回路の回路表示図である。 本発明の主要な回路表示図である。 本発明の各回路のリーク電流の流動方向表示図である。 本発明のバスのリーク電流の流動方向表示図である。 本発明の主電源側とバス間のリーク電流流動方向表示図である。 本発明が単一回路に設置された応用の回路表示図である。 本発明が主電源側に設置されたリーク電流流動方向表示図である。

本発明は一種の直流給電絶縁故障検出回路に係り、特に一種の、連続的に直流システム給電時に回路接地リーク電流監視を実行する検出回路である。

図３及び図４を参照されたい。本発明のアクティブ型連続式直流給電絶縁故障検出回路は、以下を包含する。

複数の停電装置６３は、給電システム６の各回路６１のプラス電圧端６４１及びマイナス電圧端６４２に設けられ、回路６１の給電を停止可能であり、そのうち、該給電システム６は、主電源６２及びバス（ＤＣ Ｂｕｓ）６４を包含する。

複数のリーク電流検知ユニット７は、それぞれ給電システム６の回路６１に接続されて、該回路６１の接地リーク電流値を検出するのに用いられ、異常な接地リーク電流を検出した時に、アラームメッセージを発生するか、停電装置６３を制御して該回路６１に対する給電を停止する。

続いて、本発明の最も主要な部品について説明する。本発明は複数のプラス電圧端補償ユニット８及び複数のマイナス電圧端補償ユニット９を包含する。

そのうち、複数のプラス電圧端補償ユニット８は、それぞれ給電システム６の各回路６１に設置される。これらプラス電圧端補償ユニット８の一端は、それぞれ給電システム６のプラス電圧端６４１に接続され、これらプラス電圧端補償ユニット８の他端は、それぞれ接地端Ｇに接続される。該プラス電圧端補償ユニット８は、相互に直列接続された単方向放電器８２、抵抗８３、及び電源ユニット８１を包含する。そのうち、該単方向放電器８２はダイオードとされ、それは該電源ユニット８１と順方向に導通する。

複数のマイナス電圧端補償ユニット９はそれぞれ給電システム６の各回路６１に設けられ、これらマイナス電圧端補償ユニット９の一端は、それぞれ給電システム６のマイナス電圧端６４２に接続され、該マイナス電圧端補償ユニット９の他端は接地端Ｇに接続される。該マイナス電圧端補償ユニット９は、相互に直列接続された単方向放電器９２、抵抗９３及び電源ユニット９１を包含する。そのうち、該接地端Ｇは、たとえば電動車のボデー或いは大地地網とされる。

本発明のプラス電圧端補償ユニット８及びマイナス電圧端補償ユニット９中の電源ユニット８１、９１は、外接の直流電源とされ、主電源６２及びバス６４と互いに隔離され、それは以下に列記される三種類の実施態様を包含する。
１．交流電源より入力され、隔離変圧器、整流器及びろ波器により変換後の直流電源。
２．主電源６２及びバス６４より入力され、並びに隔離変圧器を含む直流直流電源変換器で変換後の直流電源。
３．独立電池より直接提供される直流電源。

以上の三種類の態様のその一つが実施される時、電源ユニット８１、９１の電圧総和は主電源６２の総電圧より小さい。例を挙げて説明すると、主電源６２が１２０ボルトの時、該電源ユニット８１、９１はそれぞれ５０ボルトとされ得て、一般の正常な使用状況では、単方向放電器８２、９２は順方向導通とされるため、ゆえに、これら単方向放電器８２、９２は開路の素子と見なされ、リーク電流検知ユニット７の出力用電側のプラス、マイナス端に対地絶縁劣化６９が発生する時、これら単方向放電器８２、９２は導通し、電源ユニット８１、９１はそれに伴い、単方向放電器８２、９２を介して放電する。

以下、図５～８を参照して、さらに本発明の異なる実施態様について説明する。まず、図５に示されるように、給電システム６のバス６４にプラス電圧端補償ユニット８及びマイナス電圧端補償ユニット９が設けられ、各回路６１にリーク電流回流の共用通路を提供し、これによりリーク電流検知ユニット７に順調にリーク電流を監視させる（リーク電流の流動方向は矢印に示されるとおりである）。

図６に示されるように、本発明の別の実施例によると、そのプラス電圧端補償ユニット８及びマイナス電圧端補償ユニット９は、給電システム６の主電源６２とバス６４の間に設けられ、また、リーク電流回流の通路を提供できる。

図７に示されるように、プラス電圧端補償ユニット８及びマイナス電圧端補償ユニット９は、リーク電流検知ユニット７を未設置の回路６１に設置され、リーク電流回流の通路を提供し、その他の回路６１のリーク電流検知ユニット７は、すなわち、リーク電流監視の機能を有する。

図８に示されるように、プラス電圧端補償ユニット８は、該給電システム６の主電源６２側のプラス電圧端に設けられ、該マイナス電圧端補償ユニット９は、該主電源６２側のマイナス電圧端に設けられ、該リーク電流検知ユニット７がさらに該主電源６２側に設けられ、主電源６２自身に、接地絶縁抵抗劣化の状況が発生する時、リーク電流検知ユニット７が、該主電源６２側のリーク電流値を検出できる。

総合すると、本発明は、任意の電源回路のプラス電圧端６４１或いはマイナス電圧端６４２に設置でき、接地絶縁抵抗に設けられ、接地絶縁抵抗劣化に対して監視を行え、本発明のプラス電圧端補償ユニット８、マイナス電圧端補償ユニット９に電源ユニット８１、９１が設置されることで、周知の検出回路の、接地絶縁抵抗の瞬間的な激烈な劣化のみしか検出できないという欠点を改善する。さらに、リーク電流検知ユニット７に、連続した不間断の絶縁抵抗に対する高感度の監視を行わせることで、便利に給電回路の接地リーク電流数値を得て並びに操作員に知らせる。

本発明は以下のような効果を有する。
１．主動的にリアルタイムに且つ連続的な監視を行う。
２．給電システム上の異なる回路に設置可能である。
３．接地絶縁抵抗の緩慢な劣化減衰の故障モードを検出するのに有効である。
４．同時に回路のリーク電流値を測定できる。

６ 給電システム
６１ 回路
６３ 停電装置
６４１ プラス電圧端
６４２ マイナス電圧端
６２ 主電源
６４ バス（ＤＣ Ｂｕｓ）
７ リーク電流検知ユニット
８ プラス電圧端補償ユニット
９ マイナス電圧端補償ユニット
８２、９２ 単方向放電器
８３、９３ 抵抗
８１、９１ 電源ユニット
Ｇ 接地端

Claims (6)

1. アクティブ型連続式直流給電絶縁故障検出回路において、
   少なくとも一つのリーク電流検知ユニットであって、給電システムの少なくとも一つの回路に設けられて、該回路のリーク電流値を測定するのに用いられる、上記少なくとも一つのリーク電流検知ユニットと、
   少なくとも一つのプラス電圧端補償ユニットであって、該プラス電圧端補償ユニットの一端は給電システムのプラス電圧端に接続され、他端は接地端に接続され、該プラス電圧端補償ユニットは、相互に直列に接続された単方向放電器、抵抗及び電源ユニットを包含し、該単方向放電器と該電源ユニットは順方向に導通する、上記少なくとも一つのプラス電圧端補償ユニットと、
   少なくとも一つのマイナス電圧端補償ユニットであって、該マイナス電圧端補償ユニットの一端は給電システムのマイナス電圧端に接続され、他端は該接地端に接続され、該マイナス電圧端補償ユニットは相互に直列に接続された、単方向放電器、抵抗及び電源ユニットを包含し、該マイナス電圧端補償ユニットの該単方向放電器と該マイナス電圧端補償ユニットの該電源ユニットは順方向に導通する、上記少なくとも一つのマイナス電圧端補償ユニットと、
   を包含することを特徴とする、アクティブ型連続式直流給電絶縁故障検出回路。
2. 請求項１記載のアクティブ型連続式直流給電絶縁故障検出回路において、該給電システムはバス（ＤＣ Ｂｕｓ）をさらに包含して該給電システムの主電源側に接続されて複数の回路を形成し、該バスはプラス電圧端とマイナス電圧端を包含することを特徴とする、アクティブ型連続式直流給電絶縁故障検出回路。
3. 請求項１記載のアクティブ型連続式直流給電絶縁故障検出回路において、該プラス電圧端補償ユニット及び該マイナス電圧端補償ユニットはさらに、該給電システムの各回路に設けられることを特徴とする、アクティブ型連続式直流給電絶縁故障検出回路。
4. 請求項１記載のアクティブ型連続式直流給電絶縁故障検出回路において、該プラス電圧端補償ユニットはさらに別に該給電システムの主電源側のプラス電圧端に設けられ、該マイナス電圧端補償ユニットはさらに別に該主電源側のマイナス電圧端に設けられ、該リーク電流検知ユニットはさらに該主電源側に設けられて、該主電源側のリーク電流値を監視するのに用いられることを特徴とする、アクティブ型連続式直流給電絶縁故障検出回路。
5. 請求項１記載のアクティブ型連続式直流給電絶縁故障検出回路において、該電源ユニットは交流を直流に変換した直流電源を提供するか、直流を直流に変換した直流電源を提供するか、或いは電池の直流電源を提供することを特徴とする、アクティブ型連続式直流給電絶縁故障検出回路。
6. 請求項１記載のアクティブ型連続式直流給電絶縁故障検出回路において、該接地端は大地地網とされることを特徴とする、アクティブ型連続式直流給電絶縁故障検出回路。

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